Mengapa Inti 25 nm Dapat Terbaca Lebih Besar dalam Pengukuran Berbasis Difusi

Kalimat yang disorot menyatakan bahwa nanopartikel dengan inti 25 nm dapat terbaca lebih besar dalam pengukuran berbasis difusi, terutama bila permukaannya dilapisi polimer atau berinteraksi dengan komponen medium. Pernyataan ini penting karena ia mencegah salah tafsir yang sangat umum: menganggap angka ukuran dari satu instrumen selalu sama dengan “ukuran benda padat” nanopartikel. Dalam sistem koloid, terutama dalam cairan kompleks seperti krim, yang diukur sering kali bukan hanya diameter inti logam, melainkan diameter efektif dari seluruh objek yang bergerak bersama partikel di dalam medium.

Untuk memahami ini, kita perlu membedakan dua bayangan tentang “ukuran”. Bayangan pertama adalah ukuran inti, misalnya inti perak pada silver nanoparticles atau AgNPs. Ukuran ini dapat diamati dengan mikroskop elektron seperti TEM atau SEM, karena metode tersebut melihat struktur padat partikel setelah preparasi tertentu. Jika inti perak berdiameter sekitar 25 nm, maka angka itu merujuk terutama pada bagian anorganik atau logam dari partikel. Bayangan kedua adalah ukuran hidrodinamik, yaitu ukuran efektif partikel ketika ia bergerak dalam cairan. Ukuran ini mencakup inti, lapisan permukaan, molekul pelapis, ion yang terasosiasi, dan kadang molekul medium yang ikut bergerak bersama partikel. Karena itu, ukuran hidrodinamik memang dapat lebih besar daripada ukuran inti.

Ukuran hidrodinamik lahir dari gerak Brown

Pengukuran berbasis difusi, seperti dynamic light scattering atau DLS, tidak “memotret” partikel satu per satu. DLS mengamati fluktuasi intensitas cahaya hamburan akibat gerak Brown partikel dalam cairan. Partikel kecil bergerak lebih cepat; partikel besar bergerak lebih lambat. Dari kecepatan perubahan sinyal hamburan itu, instrumen memperkirakan koefisien difusi translasi, biasanya dilambangkan $D$.

Hubungan dasar antara difusi dan ukuran dalam cairan ideal diberikan oleh persamaan Stokes–Einstein:

$$ D = \frac{k_B T}{3 \pi \eta d_H} $$

Di sini, $D$ adalah koefisien difusi translasi, $k_B$ adalah konstanta Boltzmann, $T$ adalah suhu absolut, $\eta$ adalah viskositas medium, dan $d_H$ adalah diameter hidrodinamik. Jika persamaan ini ditulis ulang, diperoleh:

$$ d_H = \frac{k_B T}{3 \pi \eta D} $$

Artinya, ukuran hidrodinamik bukan diukur secara langsung seperti penggaris mengukur panjang. Ia dihitung dari seberapa cepat partikel berdifusi, dengan asumsi tertentu tentang suhu, viskositas, bentuk partikel, dan kondisi medium [Berne and Pecora 2000; ISO 2017]. Bila partikel bergerak lebih lambat, instrumen akan menafsirkan partikel itu sebagai lebih besar. Perlambatan gerak dapat terjadi karena partikel memang membentuk agregat, tetapi juga dapat terjadi karena partikel membawa lapisan permukaan yang tebal atau berinteraksi dengan molekul medium.

Inilah inti dari kalimat yang disorot: inti 25 nm dapat “terbaca” lebih besar bukan karena inti logamnya pasti membesar, melainkan karena entitas yang berdifusi dalam cairan lebih besar daripada inti telanjang.

Lapisan permukaan menambah diameter efektif

Nanopartikel dalam formulasi hampir tidak pernah berupa inti logam telanjang. Permukaannya biasanya dilapisi capping agent, surfaktan, polimer, protein, atau molekul kecil yang mencegah agregasi dan mengatur interaksi dengan medium. Jika sebuah inti berdiameter 25 nm dilapisi polimer setebal 5 nm di seluruh permukaannya, diameter geometris objek yang bergerak dapat menjadi kira-kira:

$$ d_{\text{total}} = d_{\text{inti}} + 2t $$

dengan $d_{\text{inti}} = 25 \text{ nm}$ dan $t = 5 \text{ nm}$ sebagai ketebalan lapisan pada satu sisi. Maka:

$$ d_{\text{total}} = 25 + 2(5) = 35 \text{ nm} $$

Ini contoh sederhana, tetapi berguna. Karena lapisan berada di sekeliling partikel, ketebalan 5 nm tidak menambah diameter hanya 5 nm, melainkan 10 nm. Jika lapisan polimer lebih tebal, mengembang oleh pelarut, atau membentuk struktur seperti “brush” yang menjulur ke cairan, diameter hidrodinamik dapat naik lebih besar lagi. Dalam larutan yang baik bagi polimer tersebut, rantai polimer dapat terhidrasi dan mengembang; dalam larutan yang buruk, ia dapat kolaps. Jadi ukuran hidrodinamik bergantung bukan hanya pada partikel, tetapi juga pada medium.

Namun, angka DLS yang lebih besar dari ukuran inti tidak selalu berarti lapisan polimer memiliki ketebalan sebesar selisih angka secara langsung. Misalnya, bila TEM menunjukkan inti 25 nm dan DLS menunjukkan 60 nm, tidak otomatis lapisan polimer setebal 17,5 nm. DLS mengukur perilaku difusi rata-rata dalam kondisi tertentu, sedangkan TEM melihat objek setelah preparasi kering atau vakum. Perbedaan metode dapat berasal dari hidrasi, adsorpsi molekul, agregasi lemah, polidispersitas, atau model analisis yang digunakan.

Medium bukan latar pasif

Bagian akhir kalimat yang disorot menyebut interaksi dengan komponen medium. Ini sangat relevan untuk formulasi seperti krim, serum, gel, atau suspensi farmasi. Medium kompleks mengandung banyak bahan: surfaktan, elektrolit, pengental polimer, emolien, pengawet, protein atau bahan organik lain, serta fase minyak dan air. Molekul-molekul ini dapat menempel pada permukaan nanopartikel, menggantikan pelapis awal, atau membentuk lapisan adsorpsi baru.

Dalam literatur nanomaterial biologis, fenomena semacam ini sering dibahas sebagai pembentukan “corona”, terutama protein corona ketika nanopartikel masuk ke cairan biologis [Monopoli et al. 2012]. Dalam produk krim, istilahnya tidak harus protein corona, karena molekul yang menempel bisa surfaktan, polimer, atau komponen organik lain. Tetapi prinsipnya mirip: permukaan nanopartikel tidak tetap kosong; ia bernegosiasi dengan lingkungan kimianya. Akibatnya, partikel yang semula tampak sebagai inti 25 nm dapat bergerak sebagai kompleks partikel-lapisan-medium yang jauh lebih besar.

Interaksi medium juga dapat menyebabkan partikel saling mendekat. Jika muatan permukaan tertapis oleh ion, tolakan elektrostatik melemah. Jika polimer menjembatani dua partikel, terbentuk bridging flocculation. Jika surfaktan atau pelapis awal terlepas, permukaan yang semula stabil dapat menjadi lebih mudah beragregasi. Dalam semua kasus ini, DLS dapat membaca ukuran hidrodinamik yang meningkat. Tetapi mekanismenya berbeda: lapisan tunggal yang stabil bukan masalah yang sama dengan agregasi ireversibel.

Perbedaan mekanisme ini penting untuk menafsirkan contoh dalam dokumen induk. Jika AgNPs awalnya 25 ± 5 nm lalu setelah penyimpanan dalam krim terbaca 180 nm secara DLS, ada beberapa kemungkinan. Partikel primer mungkin membentuk agregat. Partikel mungkin terbungkus komponen matriks. Partikel mungkin menempel pada droplet emulsi atau jaringan polimer. Sampel mungkin berubah saat diencerkan sebelum pengukuran. Atau, sebagian kecil agregat besar mungkin mendominasi sinyal hamburan. Data DLS saja belum cukup untuk memilih satu mekanisme.

Mengapa DLS sangat peka terhadap partikel besar

Salah satu alasan interpretasi perlu hati-hati adalah sifat sinyal hamburan. Dalam rezim Rayleigh untuk partikel yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya, intensitas hamburan kira-kira meningkat sangat tajam terhadap ukuran, sering dijelaskan secara proporsional terhadap pangkat enam diameter partikel:

$$ I \propto d^6 $$

Hubungan ini adalah penyederhanaan yang berlaku dalam kondisi tertentu, tetapi pesan kualitatifnya kuat: partikel yang sedikit lebih besar dapat menyumbang sinyal hamburan jauh lebih besar. Karena itu, sejumlah kecil agregat besar dapat membuat distribusi berbasis intensitas tampak bergeser ke ukuran besar, walaupun sebagian besar partikel berdasarkan jumlah masih kecil. Inilah sebabnya distribusi DLS berbasis intensitas, volume, dan jumlah tidak boleh diperlakukan sebagai informasi yang setara tanpa memahami asumsi konversinya [ISO 2017; Filipe et al. 2010].

Sebagai ilustrasi kasar, satu partikel 100 nm dapat menghamburkan cahaya jauh lebih kuat daripada satu partikel 25 nm. Jika memakai pendekatan $d^6$, perbandingannya adalah:

$$ \left(\frac{100}{25}\right)^6 = 4^6 = 4096 $$

Jadi satu partikel 100 nm dapat memberikan sinyal sekitar ribuan kali lebih kuat daripada satu partikel 25 nm dalam batas asumsi sederhana tersebut. Angka ini tidak boleh dipakai sebagai koreksi universal, karena hamburan nyata bergantung pada indeks bias, bentuk, panjang gelombang, dan rezim ukuran. Tetapi contoh ini menjelaskan mengapa DLS sangat sensitif terhadap agregat.

Apa yang didukung dan apa yang masih perlu diverifikasi

Pernyataan bahwa nanopartikel berinti 25 nm dapat terbaca lebih besar dalam pengukuran berbasis difusi didukung kuat oleh prinsip dasar ukuran hidrodinamik dan persamaan Stokes–Einstein. Pernyataan bahwa pelapisan polimer atau interaksi dengan medium dapat memperbesar ukuran terbaca juga sesuai dengan fisika koloid dan praktik karakterisasi nanopartikel. Ini bukan klaim spekulatif; ia merupakan alasan umum mengapa ukuran DLS sering lebih besar daripada ukuran TEM untuk nanopartikel terlapisi atau berada dalam medium cair kompleks.

Namun, jika diterapkan pada kasus spesifik—misalnya peningkatan dari 25 nm menjadi 180 nm—kalimat ini belum membuktikan penyebab tunggal. Ia hanya memberikan mekanisme yang mungkin. Untuk memastikan apakah kenaikan tersebut berasal dari lapisan polimer, adsorpsi komponen krim, agregasi, flokulasi, atau artefak preparasi sampel, diperlukan bukti tambahan. Mikroskopi elektron dapat memeriksa ukuran inti dan agregat kering; nanoparticle tracking analysis atau NTA dapat memberi informasi berbasis pelacakan partikel individual; pengukuran DLS setelah dilution series dapat menguji sensitivitas terhadap preparasi; sedangkan pengukuran zeta potential, pH, ionic strength, dan komposisi medium dapat membantu menilai perubahan stabilitas antarmuka.

Dengan demikian, kalimat yang disorot bekerja sebagai peringatan metodologis. Ia mengajarkan bahwa “25 nm” dan “180 nm” mungkin sama-sama benar, tetapi merujuk pada aspek yang berbeda dari sistem. Angka 25 nm dapat menggambarkan inti atau partikel primer, sedangkan angka lebih besar dari pengukuran difusi dapat menggambarkan partikel beserta lapisan bergeraknya, agregat longgar, atau kompleks dengan medium. Dalam nanoteknologi formulasi, memahami perbedaan ini adalah langkah awal untuk menilai stabilitas secara ilmiah, bukan sekadar membaca satu angka sebagai vonis.

References

Berne, B. J., & Pecora, R. (2000). Dynamic Light Scattering: With Applications to Chemistry, Biology, and Physics. Dover Publications.

Filipe, V., Hawe, A., & Jiskoot, W. (2010). Critical evaluation of nanoparticle tracking analysis (NTA) by NanoSight for the measurement of nanoparticles and protein aggregates. Pharmaceutical Research, 27, 796–810. https://doi.org/10.1007/s11095-010-0073-2

Hunter, R. J. (1981). Zeta Potential in Colloid Science: Principles and Applications. Academic Press.

ISO. (2017). ISO 22412:2017 Particle size analysis — Dynamic light scattering (DLS). International Organization for Standardization.

Monopoli, M. P., Åberg, C., Salvati, A., & Dawson, K. A. (2012). Biomolecular coronas provide the biological identity of nanosized materials. Nature Nanotechnology, 7, 779–786. https://doi.org/10.1038/nnano.2012.207

Pecora, R. (Ed.). (1985). Dynamic Light Scattering: Applications of Photon Correlation Spectroscopy. Springer.

Stokes, G. G. (1851). On the effect of the internal friction of fluids on the motion of pendulums. Transactions of the Cambridge Philosophical Society, 9, 8–106.